ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 102
Скачиваний: 0
вают наблюдения, хвост кавитационной каверны еще не выходит за пределы профиля. График на рис. IV. 16 дает также возмож ность оценить влияние скорости и воздухосодержания на интен сивность эрозии. Характер зависимости s = f (k) не меняется, но величина s с ростом скорости резко возрастает, а увеличение
содержания воздуха в воде снижает интенсив ность эрозии.
|
|
|
|
В |
решетках |
профи |
|||
|
|
|
|
лей, |
как |
и на |
изолиро |
||
|
|
|
|
ванном профиле, наи |
|||||
|
|
|
|
большая |
интенсивность |
||||
|
|
|
|
эрозии имеет место при |
|||||
|
|
|
|
пузырьковой кавитации. |
|||||
|
|
|
|
Наличие |
на |
поверхно |
|||
|
|
|
|
сти профиля кроме |
пу |
||||
|
|
|
|
зырьков факелов |
суще |
||||
|
|
|
|
ственно |
уменьшает |
ин |
|||
|
|
|
|
тенсивность |
эрозии |
и |
|||
|
|
|
|
размер эрозионных |
яз |
||||
|
|
|
|
вин. |
Факельная |
форма |
|||
|
|
|
|
(рис. 1.9) и |
особенно |
||||
|
|
|
|
форма II (рис. 1.4) ка |
|||||
|
|
|
|
витации |
обладают наи |
||||
|
|
|
|
меньшей |
эрозионной |
||||
|
|
|
|
способностью. |
|
Интен |
|||
|
|
|
|
сивность |
эрозии |
суще |
|||
|
|
|
|
ственно зависит от сте |
|||||
|
|
|
|
пени |
развития кавита |
||||
|
|
|
|
ции, |
характеризуемой, |
||||
|
|
|
|
в частности, коэффи |
|||||
|
|
|
|
циентом кавитации. При |
|||||
|
|
|
|
кавитации в |
форме |
I |
|||
Рис. |
IV. 15. |
Распределение |
плотности эрозии |
зона |
эрозии |
распола |
|||
вдоль хорды |
профиля при |
различных формах |
гается в |
районе выход |
|||||
|
|
кавитации |
ной кромки. С увеличе |
||||||
ны |
профиля, занятой |
|
нием протяженности зо |
||||||
пузырьками, числа и размеров пузырьков |
|||||||||
интенсивность эрозии быстро растет, а затем резко падает, когда пузырьки начинают замыкаться за пределами профиля. Исследуя обтекание каждой из бесконечных плоских решеток профилей, составляющих лопастную систему осевого рабочего колеса, можно получить представление об условиях развития кавитации и кави тационной эрозии на лопасти рабочего колеса в целом. Таким образом, открывается возможность на стадии проектирования рабочего колеса экспериментально установить его кавитаци онно-эрозионные характеристики в широком диапазоне ре жимов.
146
Распределение давления на профиле в данной решетке, кото рое в конечном итоге и определяет условия развития кавитации, зависит от геометрии профиля и условий обтекания решетки. В свою очередь, условия обтекания решетки /-го сечения рабочего колеса определяются режимом работы турбины.
Анализ режимов работы поворотнолопастной гидротурбины показывает, что в поле универсальной характеристики различные сечения лопасти работают в широком диапазоне углов атаки а вх и
относительных |
скоростей wx. Ha рис. |
IV. 17 представлены для |
|||||||||
примера линии постоянных |
<?, Ус |
|
|
|
|
|
|
||||
значений а вх и wx для III |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
сечения лопастной |
систе |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
мы рабочего колеса ПЛ646. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Отсюда видно, что угол |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
атаки а вх существенно уве |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
личивается с уменьшением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
п\, а величина скорости wx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
уменьшается |
с |
уменьше |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нием Qi и п'\. Аналогичный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
характер зависимости а вх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
и wx от режима работы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
имеет место |
и |
на |
других |
|
|
|
|
|
|
|
|
сечениях лопасти. |
Причем |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
при переходе от втулочных |
Рис. IV. 16. Зависимость интенсивности эро |
||||||||||
к периферийным сечениям |
зии от |
числа |
|
кавитации при |
кавитации |
||||||
угол атаки а вх уменьшает |
в форме / / / при различных скоростях по |
||||||||||
ся, а скорость wx увеличи |
|
тока |
vm и воздухосодержаниях |
воды а: |
|||||||
вается. |
|
разнообра |
1 |
— |
= |
15 м/с; |
а = |
0,8%; 2 — |
= 15 м/с; |
||
Указанное |
|
а |
= |
1,6%; |
3 |
— |
= 13 м/с; а = |
0,8% |
|||
зие в режимах |
обтекания |
|
на |
различных |
сечениях лопасти на |
||||||
обусловливает существование |
|||||||||||
одном и том же рабочем режиме |
различных эпюр распределения |
||||||||||
давления и, |
как следствие, |
|
различных |
|
условий возникновения |
||||||
и развития |
кавитации. Вид эпюр на различных сечениях |
лопасти |
|||||||||
должен существенно зависеть и от режима работы турбины. |
|||||||||||
Испытания |
на |
кавитационной |
трубе |
|
[19] |
показали, |
что при |
||||
пленочных формах кавитации длина каверны растет по мере умень шения числа кавитации k, но абсолютные значения скорости обтекающего потока и общего воздухосодержания не влияют на характер этой зависимости. Ширина зоны эрозии увеличивается с развитием кавитации исоответствует области пульсации каверны, фиксируемой с помощью скоростной киносъемки.
Граница начала зоны эрозии при форме кавитации II I проходит сразу за окончанием участка действия растягивающих напряже ний /р. Это особенно заметно при начальных стадиях развития кавитации, когда длина каверны мала. В этом же месте про исходит периодический отрыв каверны. Ширина зоны эрозии при форме I I I увеличивается с ростом скорости, в то время как
147
положение максимума эрозии остается неизменным и располагается в районе видимого хвоста каверны. При форме кавитации II ширина зоны эрозии существенно меньше и ее границы не изме няются с изменением скорости. Местоположение максимума эрозии смещено вниз по потоку по отношению к видимому хвосту каверны.
Интенсивность кавитационного шума для кавитации в формах / / и I I I увеличивается с увеличением степени ее развития и с уве личением скорости, но если для формы I I I шум увеличивается
Рис. IV. 17. Линии постоянных значений углов атаки авх и относи тельных скоростей ац в поле универсальной характеристики для III сечения лопастной системы рабочего колеса ПЛ646
с уменьшением воздухосодержания, то для формы II влияние воздухосодержания на шум не обнаруживается. Аналогично влияние скорости и воздухосодержания на интенсивность эро зии при пленочных формах кавитации. Но зависимость интенсив ности эрозии от степени развития кавитации при форме I I I не монотонна (как зависимость шума), а имеет максимум. Уменьше ние интенсивности эрозии происходит задолго до выхода пульси рующего хвоста каверны за пределы профиля и не может быть объяснено этим обстоятельством.
Сопоставление экспериментальных данных с расчетными эпю рами, распределения давления показывает, что место возникнове
ния кавитации на профиле при всех формах |
кавитации |
близко |
|
к зоне |
максимального разрежения. Кроме того, видно, |
что при |
|
формах |
кавитации факельной и I число &нач |
удовлетворительно |
|
согласуется с минимальным коэффициентом давления на профиле pmin, а при пленочной кавитации кнач < \ pmin\.
Как показывает эксперимент, при формах кавитации факель ной и особенно / ее развитие (с уменьшением числа k) происходит
148
очень быстро, так что число кнач и число к, при котором кавита ционные пустоты замыкаются за пределами профиля, мало отли чаются друг от друга. Причем, чем ближе к выходной кромке располагается зона максимального разрежения, тем быстрее каверна выходит за пределы профиля.
В решетках отмечено существование кавитации в виде переход ной формы от II I ко II форме. При этом кавитация возникала в виде гладкой каверны с замутненной поверхностью, характер развития которой был аналогичен развитию кавитации в фор мах II и III. Эрозионные проявления этой формы кавитации также меньше, чем при форме III.
Кавитационная эрозия при кавитации в срывной форме IV воз никала после сформирования единой каверны с приближением ее к поверхности профиля и с возникновением пульсаций. Так же, как и при кавитации в форме III, интенсивность эрозии дости гала максимума при стадиях развития, предшествующих пере рождению каверны в струйную.
Кавитация — сугубо пространственный процесс. Поэтому до пустимость исследования кавитации пространственной лопастной системы по схеме плоского течения на решетках профилей неоче видна. С целью сопоставления процессов кавитации в плоских решетках профилей и на лопастях рабочего колеса были проведены испытания соответствующего модельного рабочего колеса диа метром 350 мм на соответствующем режиме работы. Испытания показали, что при развитых стадиях кавитации длины каверн в средней части лопасти и на профиле в решетке близки друг другу. В начальных стадиях на лопасти кавитация развивается интенсивнее, видимо, из-за влияния соседних сечений с несколько отличными эпюрами распределения давления. На корневом и пе риферийном сечениях лопасти кавитация существенно иначе развивается, чем на соответствующих решетках профилей. Это объясняется близостью стенок камеры и втулки рабочего колеса, а также влиянием зазоров лопасть — камера и лопасть — втулка. Таким образом, кавитационное обтекание плоских решеток хорошо соответствует обтеканию только средней, удаленной от торцовых кромок части лопасти.
Г Л А В А V |
И С С Л Е Д О В А Н И Я |
|
К А В И Т А Ц И О Н Н О Й |
|
Э Р О З И И |
Эрозионные исследования сводятся к решению следующих основных проблем:
1) определение зон и интенсивности кавитационных разруше ний при различных режимах работы турбин;
2) |
исследование кавитационной стойкости материалов; |
3) |
изучение физической природы и основных закономерностей |
кавитационной эрозии.
Работы по этим направлениям ведутся как в лабораторных условиях, так и на действующих ГЭС.
20.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИИ НА МОДЕЛЯХ ТУРБИН
Внастоящее время при разработке новых рабочих колес все более широкое распространение получает исследование кавита ционной эрозии на моделях. Исследование эрозии на моделях позволяет на стадии проектирования оценить интенсивность кави тационного воздействия на рабочее колесо, а также определить, какие участки лопастей наиболее подвержены разрушениям и требуют покрытия кавитационностойкими материалами.
Наиболее простым способом обнаружения зон, подверженных кавитационным разрушениям, являются визуальные наблюдения за развитием процесса кавитации на лопастях при стробоскопи ческом освещении. Стробоскопический эффект основан на том, что если освещать вращающуюся деталь периодически повторяю
щимися импульсами света, то при совпадении числа вспышек с числом оборотов детали благодаря инерционности зрительного ощущения изображение кажется неподвижным. Интервалы между вспышками должны быть не более 0,1 с. В качестве источника света в стробоскопических установках используются неоновые лампы, имеющие малую инерционность.
При хорошей оптической прозрачности воды в стенде, доста точно мощной стробоскопической вспышке и больших размера^ проточной части модельной турбины, у которой стенки камеры выполнены из органического стекла, можно проследить, при каких условиях начинается процесс кавитации в рабочем колесе,
150
как он развивается и на каком участке образуются кавитационные каверны.
Визуальные наблюдения могут сопровождаться фотографиро ванием.
Стробоскопические наблюдения обычно совмещаются по вре мени с опытами по определению сг1урб.
Интересные результаты получены при исследовании стробо скопическим методом поворотнолопастных турбин, проточная часть которых полностью доступна для наблюдения. Испытания позволили установить, что с увеличением разрежения за рабочим колесом первые кавитационные каверны появляются в зазоре лопасть—камера и лопасть—втулка рабочего колеса. Затем ка верны возникают на пере лопасти. Полное подавление кавитации происходит при значительном противодавлении за рабочим коле сом. Так, например, на колесе ПЛ587 кавитационные каверны
исчезают при ауст = |
1,08 |
(сгтурб= 0,48) [57], на колесе ПЛ646— |
при ауст = 0,70 (атурб |
= |
0,24). |
Стробоскопический способ исследования кавитации, отличаясь своей простотой, имеет ряд недостатков, во-первых, далеко не все участки лопастей, особенное радиально-осевых турбинах, доступны для наблюдения, во-вторых, неизвестно, в какой степени образо вавшаяся кавитационная каверна того или иного типа опасна для лопасти. В связи с этим, кроме стробоскопического наблюде ния, при исследовании кавитационной эрозии на моделях турбин, так же как на профилях в кавитационной трубе (п. 19), приме няется метод легкоразрушаемых покрытий. Такой метод более точен и надежен, так как позволяет выявить именно те места, где покрытие разрушается в первую очередь и, следовательно, кави тация наиболее опасна.
Испытания с помощью метода легкоразрушаемых покрытий весьма продолжительны и совместить их с обычными кавитацион ными испытаниями по определению сгтурб невозможно. Испытания по этому методу ведутся в определенной последовательности. Модель рабочего колеса с нанесенным покрытием испытывается определенное время (время устанавливается в зависимости от материала покрытия, напора установки, размеров модели) при одном режиме, характеризующемся постоянными значениями QJ, п[, сгуст. После этого турбина разбирается, обмеряется зона раз рушения, восстанавливается покрытие и затем задается следующий режим.
В качестве легкоразрушаемых покрытий обычно используются лаки и свинец.
На ЛМЗ исследования ведутся с лаковыми покрытиями. Метод требует строгого соблюдения технологии приготовления и нане сения покрытий. Лаки должны обладать хорошей адгезией как к металлу рабочего колеса, так и между собой. В противном слу чае будет происходить не эрозионное разрушение лакового покры тия в виде отдельных язвин, возникающих при кавитационных
15!